metode sinkronisasi inverter satu fase dengan

ISSN: 1693-6930
„
49
METODE SINKRONISASI INVERTER SATU FASE
DENGAN JARINGAN LISTRIK YANG TERDISTORSI
Bambang Sujanarko
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Jember
Jl. Slamet Riyadi 62, Jember 68121, Telp. +62-331-410242, Fax. +62-331-484977
e-mail : [email protected]
Abstract
DC power sources from renewable energy sources that would be connected to the
electricity grid system require synchronization process. This process is implemented by
controlling the inverter in a way to obtain instantaneous amplitude, phase and frequency
according to the electricity network. This research discussed a method for synchronizing VSI
PWM inverters connected with distorted single-phase power grid using a filter as a pure sine
generator, and a compensator as the restorer of angle change due to the power filtering.
Results of simulation using MATLAB show that this method can produce better synchronization
compared to other synchronization methods, as it successfully produce similar phase and
waveform with the grid’s waveform.
Keywords: synchronization, filter, compensator, VSI, PWM
Abstrak
Sumber listrik searah yang berasal dari sumber energi terbarukan yang dikoneksikan
dengan sistem jaringan listrik membutuhkan proses sinkronisasi. Proses tersebut dilakukan
dengan mengontrol kerja inverter sedemikian rupa sehingga diperoleh amplitudo sesaat, fase
dan frekuensi yang sesuai dengan jaringan listrik. Pada penelitian ini dibahas suatu metode
untuk proses sinkronisasi koneksi inverter PWM VSI dengan jaringan listrik satu fase yang
terdistorsi, dengan menggunakan tapis untuk membangkitkan sinus murni, dan kompensator
sebagai pemulih perubahan sudut akibat filter daya. Hasil simulasi dengan MATLAB
menunjukkan bahwa metode ini dapat menghasilkan sinkronisasi yang lebih baik bila
dibandingkan dengan metode sinkronisasi yang lain, karena menghasilkan fase dan bentuk
gelombang sebagaimana bentuk gelombang pada jaringan.
Kata Kunci: sinkronisasi, filter, kompensator, VSI, PWM
1. PENDAHULUAN
Sistem interkoneksi pada tegangan ekstra tinggi telah menghasilkan sistem kelistrikan
yang lebih handal dan lebih efisien [1]. Umumnya pembangkit yang masuk dalam sistem
interkoneksi tersebut merupakan pembangkit besar, dengan energi primer berupa sumber
energi tak terbarui seperti batu bara, minyak dan gas bumi [2]. Dengan alasan semakin
berkurangnya cadangan energi yang berasal dari fosil tersebut, serta alasan lingkungan
lainnya, maka pembangkit listrik dengan sumber energi terbarukan banyak diteliti sebagai
pengganti pembangkit listrik dengan sumber energi fosil [3]. Sejumlah metode konversi telah
banyak ditemukan, namun masih membutuhkan pengembangan. Sistem Fuel Cell, Foto Voltaik,
dan lain-lain merupakan sistem konversi yang mulai banyak diterapkan. Sistem tersebut
umumnya menghasilkan daya arus searah, sehingga membutuhkan sistem pengubahan ke
dalam bentuk daya arus bolak-balik dengan menggunakan inverter agar bisa digunakan
aebagaimana sumber listrik pada jaringan listrik.
Voltage source inverter (VSI) yang terdiri dari voltage control VSI (VCVSI) dan current
control VSI (CCVSI), merupakan inverter yang paling banyak digunakan, termasuk untuk
integrasi sistem pembangkit terdistribusi, karena VSI lebih efisien, kompak dan lebih murah,
bila dibanding inverter lain [4]. Sementara Pulse Width Modulation (PWM) merupakan metode
Metode Sinkronisasi Inverter Satu Fase dengan Jaringan Listrik ......... (Bambang Sujanarko)
ISSN: 1693-6930
50 „
yang cukup banyak digunakan untuk pengendalian sistem pengubahan daya listrik, termasuk
inverter.
Kondisi sinkron, yaitu kondisi dimana amplitudo, frekuensi dan fase tegangan/arus
sama pada dua atau lebih pembangkit, sangat diperlukan dalam pengoperasian paralel. Hal
yang sama juga berlaku untuk inverter. Bila karakteristik daya listrik yang dihasilkan inverter
tidak sinkron, dimungkinkan pengoperasian paralel akan mengakibatkan ketidakstabilan dan
bahkan kegagalan. Teknik zero crossing, pem-filter-an tegangan jaringan listrik dan Phase
Locked Loop (PLL) merupakan metode sinkronisasi yang telah banyak digunakan pada inverter
[3]. Metode PLL mampu melakukan sinkronisasi pada jaringan yang memiliki daya listrik yang
mengalami distorsi [5], walaupun memiliki sistem yang lebih rumit, berkebalikan dengan metode
zero crossing yang memiliki konstruksi yang sederhana, namun tidak sesuai untuk kondisi daya
yang terdistorsi. Sementara pem-filter-an tegangan jaringan listrik, memiliki kelemahan adanya
pergeseran sudut fase. Penggunaan metode sinkronisasi yang lebih kompleks, disertai
kemampuan sistem untuk mengkompensasi gangguan ketidakseimbangan dan sag pada
sistem tiga fase, dilakukan dengan menggunakan synchronous reference frame (SRF) [6].
Sinkronisasi yang hanya melihat pada besaran amplitudo efektif, frekuensi dan fase
belumlah cukup sebagai persyaratan untuk sinkronisasi inverter dengan daya listrik yang
berasal dari sistem pembangkit konvensional (generator). Persyaratan lain yang juga harus
dipenuhi adalah kesamaan bentuk gelombang atau dengan kata lain tegangan sesaat harus
sama. Oleh karena itu dalam pada penelitian ini diusulkan metode baru untuk sinkronisasi
Inverter PWM VSI satu fase dengan jaringan listrik yang terdistorsi, yang berbeda dengan
metode yang diusulkan pada referensi [3-14]. Perbedaan terutama adalah dilakukannya
kompensasi pergeseran sudut dengan rangkaian C-R dan tetap digunakannya tegangan
jaringan asli untuk modulasi, sehingga bentuk tegangan masih bisa dipertahankan sama
dengan aslinya. Metode sinkronisasi yang diajukan diverifikasi secara simulasi menggunakan
perangkat lunak MATLAB versi 7.0.
2. METODE PENELITIAN
2.1. Konfigurasi Sistem
Sistem yang digunakan dalam penelitian terdiri dari sumber arus searah (DC), inverter,
sistem kontrol sinkronisasi dan pembangkit pulsa gerbang, sistem kelistrikan satu fase dan
beban, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1. Daya listrik arus searah (DC) pada blok
sumber DC dapat berupa baterei, penyearah, generator DC dan sistem konversi lain yang
menghasilkan DC, akan diubah menjadi daya arus bolak-balik (AC) melalui inverter. Keluaran
daya listrik inverter diatur sedemikian rupa oleh sistem sinkronisasi dan pembangkit pulsa
sehingga daya listrik yang dikeluarkan oleh inverter dapat sinkron dengan daya di jaringan.
Gambar 1. Konfigurasi sistem
TELKOMNIKA Vol. 8, No. 1, April 2010 : 49 - 56
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 51
Pengaturan sistem sinkronisasi dan pembentuk gelombang dilakukan dengan tegangan
jaringan sebagai acuan. Bila tegangan sesaat jaringan turun, maka tegangan sesaat keluaran
inverter juga harus mengikuti, begitu sebaliknya. Demikian pula bila frekuensi pada jaringan
listrik turun/naik, maka frekuensi keluaran AC inverter juga harus dapat mengikutinya.
Konfigurasi paralel inverter dengan jaringan listrik sebagimana Gambar 1,
memungkinkan sistem bekerja dalam beberapa mode, yaitu mode sebagai Uninterruptible
Power Supply (UPS), mode penambah daya pada sistem bila daya sistem grid terbatas atau
Demand Side Management System (DSM) bila inverter merupakan bi-directional inverter yang
mampu sebagai inverter sekaligus rectifier [7] atau mode perbaikan faktor beban bila
pengisian/pembebanan baterei (sumber DC) didasarkan pada pembebanan yang merata pada
sistem grid, sebagaimana dijelaskan dalam Gambar 2.
(a) Mode UPS dan DSM [7]
(b) Mode perbaikan faktor beban [15]
Gambar 2. Mode Pengoperasian Inverter
Gambar 3. Sistem Inverter
Menurut literatur dikenal beberapa konfigurasi inverter satu fase [8]. Pada penelitian ini
digunakan topologi inverter dorong-tarik (push-pull). Sistem inverter menggunakan
transformator center tap, serta dirancang bekerja pada frekuensi yang relatif tinggi. Dengan
jenis seperti itu, maka kebutuhan komponen switching menjadi lebih sedikit dan transformator
dan filter menjadi lebih ringan. Gambar 3 menyajikan skema inverter yang digunakan dalam
Metode Sinkronisasi Inverter Satu Fase dengan Jaringan Listrik ......... (Bambang Sujanarko)
ISSN: 1693-6930
52 „
penelitian. Gate pada MOSFET1 MOSFET akan mendapat sinyal masukan dengan pola
tertentu yang berasal dari rangkaian sinkronisasi dan rangkaian pembangkit pulsa gate. Sinyal
gate tersebut membuat kondisi MOSFET ON-OFF dan tegangan hasilnya kemudian dinaikkan
dengan perbandingan n oleh trafo. Tegangan maksimum keluaran inverter (Vo) tersebut
sebelum di-filter adalah [8]:
Vo =
4 Vdc
π 2 n
(1)
n adalah perbandingan lilitan trafo primer/sekunder
Jika tegangan keluaran inverter berbentuk sinus murni ( Vinv ), maka besarnya sama
dengan:
Vinv =
4 Vdc
sin(ω1t + φ1 )
π 2 n
(2)
sedangkan tegangan jaringan listrik ( V grid ) adalah:
V grid = V 2 sin(ω 2 t + φ 2 )
(3)
V adalah tegangan efektif
Kondisi sinkronisasi terjadi bila tegangan (Vinv dan Vgrid), frekuensi ( ω1 dan
sudut fase ( φ1 dan
φ 2 ) adalah sama, sehingga dari (2) dan (3) untuk tegangan didapat:
4 Vdc
=V 2
π 2 n
atau V =
4 Vdc
2π n
ω1 ) dan
(4)
(5)
Pada penelitian ini, sinkronisasi tegangan sesaat, frekuensi, dan fase tersebut
dilakukan dengan teknik zero crossing pada tegangan yang telah di-filter pada orde yang cukup
dan juga telah dikompensasi untuk mengeliminasi pergeseran sudut ( θ filter + θ kompensator = 0),
yang dilanjutkan dengan penggunaan tegangan jaringan (asli tanpa filter) yang dimodulasi
dengan teknik PWM dengan batas-batas fase positif dan negatif mengacu pada hasil zero
crossing.
2.2. Rangkaian Sinkronisasi dan Pembangkit Pulsa
Inverter PWM umumnya memerlukan pembentuk sinus untuk proses sinkrobisasi yang
baik. Rangkaian pembentuk sinus yang digunakan dalam penelitian ini diperlihatkan pada
Gambar 4(a). Sedangkan model pensaklaran pada inverter PWM satu fase, pada dasarnya
dapat dikelompokkan dalam tiga kategori, yaitu: naturally sampled PWM, regular sampled PWM
dan direct PWM [10]. Pada penelitian ini digunakan regular sampled PWM dengan pencuplikan
tak simetri (unsymetrical sampling) menggunakan sinyal pembawa (carrier signal) gelombang
segitiga, seperti ditunjukkan pada Gambar 4(b).
Metode yang diajukan merupakan metode baru, dan berbeda bila dibandingkan metode
sinkronisasi yang ada di referensi [3-14]. Perbedaan terutama adalah dilakukannya kompensasi
pergeseran sudut dengan rangkaian C-R dan tetap digunakannya tegangan jaringan asli untuk
modulasi, sehingga bentuk tegangan masih bisa dipertahankan sama dengan aslinya. Blok
diagram metode ini diperlihatkan pada Gambar 5(a). Jadi pada pinsipnya sinyal atau
TELKOMNIKA Vol. 8, No. 1, April 2010 : 49 - 56
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 53
gelombang dari jaringan listrik yang tedistorsi akan di-filter dahulu menjadi sinus. Hasil filter
kemudian akan dikompensasi untuk dipulihkan sudut fasenya dari pergeseran fase akibat filter
daya. Hasil kompensasi kemudian akan diproses menjadi pulsa positif atau negatif untuk fase
positif dan negatif di zero crossing. Pulsa-pulsa ini kemudian dinormalisasi dan kemudian akan
di-AND-kan dengan hasil PWM sinyal asli dari grid. Hasilnya adalah pulsa-pulsa trigger pada
komponen saklar inverter yang sinkron dengan tegangan pada jaringan listrik yang mengalami
distorsi.
(a) Pembentuk Sinus
(b) Sinkronisasi dan Pembangkit Pulsa
Gambar 4. Rangkaian Pembentuk Sinus, Sinkronisasi dan Pembangkit Pulsa.
2.3 Pengujian
Pengujian dilakukan melalui pembandingan kinerja sistem yang diajukan dengan
kinerja metode sinkronisasi zerocrossing, pem-filter-an dan PLL. Gambar 5(b) memperlihatkan
rangkaian Matlab Simulink untuk pengujian. Pada gambar tersebut sistem sinkronisasi yang
digunakan adalah sistem sinkronisasi yang diajukan, sedangkan untuk metode yang lain,
tinggal mengganti rangkaian kompensasi, pembentuk gelombang dan pembangkit pulsa,
dengan rangkain yang sesuai, sebagaimana dijelaskan dalam [3].
Pengujian dilakukan untuk mendapatkan ketepatan sudut fase dan bentuk gelombang
antara tegangan pada jaringan (grid) dengan tegangan yang terjadi pada inverter. Jika sudut
fasenya antara tegangan jaringan dan inverter tidak ada perbedaan, maka sistem dikategorikan
sebagai sistem yang baik, tapi jika terdapat perbedaan, maka sistem dikategirikan dalam sistem
yang jelek. Semakin besar perbedaan yang terjadi, kategorinya juga akan semakin jelek. Begitu
pula dengan bentuk gelombang, jika bentuk gelombang amat mirip maka sistem akan
dikategorikan dalam sistem yang sangat baik, begitu juga jika ketidaksamaan yang terjadi
Metode Sinkronisasi Inverter Satu Fase dengan Jaringan Listrik ......... (Bambang Sujanarko)
ISSN: 1693-6930
54 „
cukup besar, sistem dikategorikan dalam sistenm yang sangat jelek. Pengujian dilakukan
dengan membagi kondisi operasional dalam empat jenis, yaitu pada sistem bekerja terpisah,
sistem bekerja paralel, pada saat jaringan (grid) padam dan pada saat jaringan (grid) pulih
kembali.
(a) Metode sinkronisasi yang diajukan
(b) Rangkaian Simulasi
Gambar 5. Sistem Pengujian menggunakan simulasi Matlab Simulink.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 6 memperlihatkan hasil simulasi pada semua kondisi operasional yang
digunakan dalam pengujian sistem. Gambar 6(a) adalah hasil simulasi pada waktu 0 sampai
dengan 0,1 detik, yaitu pada kondisi sistem jaringan bekerja sendiri, sementara inverter dan
beban Load1 belum bekerja. Pada saat ini inverter telah menggunakan tegangan jaringan yang
terdistorsi sebagai referensi untuk proses sinkronisasi dan pembentukan pulsa gerbang.
Sedangkan pada Gambar 6(b) menunjukkan hasil simulasi pada waktu 0,1 sampai dengan 0,2
dengan kondisi sistem bekerja terpisah, sistem jaringan mencatu beban Load2 dan inverter
mencatu beban Load1. Pada Gambar 6(c) ditunjukkan hasil simulasi untuk waktu dari 0,2
sampai 0,3, dengan kondisi sistem bekerja paralel, yaitu sumber daya jaringan dan inverter
bekerja besamaan untuk mencatu beban Load1 dan Load2. Gambar 6(d) adalah hasil simulasi
pada periode waktu 0,3 sampai dengan 0,4, dengan kondisi jaringan listrik lepas atau padan
dan semua daya disulang oleh inverter. Sedangkan Gambar 6(e) adalah hasil simulasi pada
waktu lebih dari 0,4 detik, dengan kondisi jaringan pulih dan dapat mencatu kembali ke sistem.
TELKOMNIKA Vol. 8, No. 1, April 2010 : 49 - 56
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 55
Gambar 6. Hasil simulasi bentuk arus dan tegangan
Hasil tersebut menunjukkan bahwa sistem telah dapat bekerja sebagaimana tinjauan
teori yang dikemukakan, mengingat pada semua kondisi dihasilkan tegangan yang memiliki
sudut fase dan bentuk gelombang yang tepat. Dan jika dilakukan pembandingan ketepatan
sudut dan bentuk gelombang hasil simulasi sistem yang diajukan dengan simulasi pada sistem
sinkronisasi yang lain, maka akan didapatkan hasil seperti tampak pada Tabel 1.
Tabel 1. Perbandingan metode Sinkronisasi
Metode sinkronisasi
Ketepatan sudut fase
Ketepatan bentuk tegangan
Zero crossing [3]
kurang
kurang
Pem-filter-an [3]
sangat kurang
kurang
PLL [3, 5]
baik
kurang
baik
Baik
Metode yang diajukan
4. SIMPULAN
Suatu metode baru untuk sinkronisasi inverter PWM satu fase yang terhubung dengan
jaringan (grid) yang mengandung distorsi telah diajukan dalam penelitian ini. Verifikasi melalui
simulasi dengan perangkat lunak MATLAB telah menunjukkan bahwa metode yang diusulkan
dapat menyinkronisasikan inverter satu fase dengan jaringan yang terdistori, dengan ketepatan
sudut fase dan bentuk gelombang yang lebih baik dibandingkan dengan sistem sinkronisasi
yang telah dikembangkan sebelumnya.
Metode Sinkronisasi Inverter Satu Fase dengan Jaringan Listrik ......... (Bambang Sujanarko)
56 „
ISSN: 1693-6930
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Hutahuruk. Transmisi Daya Listrik. Jakarta: Erlangga. 1985.
[2]. Pabla. 1981.Sistem Distribusi Tenaga Listik. Abdul Hadi. Jakarta: Erlangga. 1994.
[3]. Blaabjerg F, Teodorescu R, Liserre M, Timbus AV. Overview of Control and Grid
Synchronization for Distributed Power Generation Systems. IEEE Transactions on
Industrial Electronics. 2006; 53(5): 1398-1409.
[4]. Ko SH, Lee SR, Dehbonei H, Nayar CV. Application of Voltage- and Current-Controlled
Voltage Source Inverters for Distributed Generation Systems. IEEE Transactions on
Energy Conversion. 2006; 21(3): 782-792.
[5]. Pavljasevic S, Dawson F. Synchronization to Disturbed Utility-Network Signals Using a
Multirate Phase-Locked Loop. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2006; 53(5):
1410-1417.
[6]. Li Y, Vilathgamuwa DM, Loh PC. Microgrid Power Quality Enhancement Using a ThreePhase Four-Wire Grid-Interfacing Compensator. IEEE Transactions on Industry
Applications. 2005; 41(6): 1707-1719.
[7]. Ashari M, Keerthipala WWL, Nayar CV. A Single Phase Parallely Connected
Uninterruptible Power Supply/Demand Side Management System. IEEE Transactions on
Energy Conversion. 2000; 15(1): 97-102.
[8]. Mohan N, Undeland TM, Robbins WP. Power Electronics. New York: John Wiley & Sons.
1995.
[9]. Holmes G, Lipo TA. Pulse Width Modlation For Power Converter. New York: John Wiley
and Sons Inc Publication–IEEE Press. 2003.
[10]. Carrasco JM, Franquelo LG, Bialasiewicz JT, Galván E, Guisado RCP, Prats MÁM, et al.
Power-Electronic Systems for the Grid Integration of Renewable Energy Sources: A
Survey. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2006; 53(4): 1002-1016.
[11]. Chung SK. A Phase Tracking System for Three Phase Utility Interface Inverters. IEEE
Transactions on Power Electronics. 2000; 15(3): 431-438.
[12]. Kjaer SB, Pedersen JK, Blaabjerg F. A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters
for Photovoltaic Modules. IEEE Transactions on Industry Applications. 2005; 41(5): 12921306.
[13]. Papathanassiou SA, Papadopoulos MP. Harmonic Analysis in a Power System with
Wind Generation. IEEE Transactions on Power Delivery. 2006; 21(4): 2006-2016.
[14]. Xu L, Cartwright P. Direct Active and Reactive Power Control of DFIG for Wind Energy
Generation. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2006; 21(3): 750-758.
[15]. Sujanarko B, Ashari M, Purnomo MH. Kerja Paralel Sistem Konverter Berbasis Komputer
Pribadi dengan Jaringan Listrik Untuk Perbaikan Faktor Beban. Simposium Nasional Rapi
VI. Surakarta. 2007: 101:107.
TELKOMNIKA Vol. 8, No. 1, April 2010 : 49 - 56